CN112450935B - 一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量方法，包括步骤1，抑制地磁场干扰，调节两组补偿线圈的电流，控制第一组补偿线圈产生与地磁场三分量方向相反的磁场，控制第二组补偿线圈抑制环境磁场抖动；步骤2，测量轴方向磁场补偿，在原子磁力仪外围设置第三组补偿线圈，调节第三组补偿线圈的电流，以补偿原子磁力仪测量轴方向上的剩余磁场；步骤3，通过原子磁力仪中各通道的磁场信号和测量轴方向上的磁场信号做梯度，最终在无磁屏蔽环境下实现100fT/Hz^1/2的灵敏度。本发明还提供实施基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量方法的测量系统。本发明造价低廉，运行成本低，易于实现原子磁力仪在无磁屏蔽环境下高信噪比的心磁测量。

Description

一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量方法和系统

技术领域

本发明涉及生物医疗仪器领域，尤其涉及一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量方法和系统。

背景技术

心脏磁场的测量及研究对心血管疾病的防治具有重要意义，据《中国心血管病报告2018》中研究推算，中国心血管病现患者人数2.9亿，冠心病1100万，风湿性心脏病250万，先天性心脏病200万；心血管病死亡率居首位，高于肿瘤及其他疾病。

心磁图有助于冠心病的早期诊断及治疗后监测，对冠心病的诊断效果优于心电图和超声心动图。心磁信号的检测及心磁图的获取具有非接触和无创伤的特点，使其在胎儿心脏健康情况检测及冠心病检测等有着更好的应用前景。故心磁测量及心磁图的获取对心血管疾病的诊断与预测非常有意义。

心脏磁场信号非常微弱，成人最强心磁信号的峰值在10^-10T量级，约为地磁场强度的五十万分之一，测量难度非常大。目前主流测量技术依赖于灵敏度超高的SQUID磁力仪，然而SQUID磁力仪造价及工作成本太高难以普及。近年来，原子磁力仪发展迅速，国际上用原子磁力仪测量心磁取得了较大的进展。国内也相继报道过原子磁力仪成功测量心磁的研究。原子磁力仪的工作原理决定其造价及运行成本远低于SQUID磁力仪，但目前基于原子磁力仪的心磁测量仪要求在磁屏环境下工作。磁屏蔽室封闭的空间环境不利于在实际临床应用中采集被测试者数据，且磁屏蔽室造价较高，不利于深度推广应用于临床诊治。

发明内容

为克服上述问题，本发明的第一个方面提供一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量方法，用无屏蔽的原子磁力仪作为测量心磁信号的测量探头，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，抑制地磁场干扰，将原子磁力仪置于两组补偿线圈的中心区域，调节两组补偿线圈的电流，控制第一组补偿线圈产生X/Y/Z三维与地磁场三分量方向相反的磁场，实现测量区域DC地磁场的三方向均抑制在零场附近±10nT以内；控制第二组补偿线圈抑制环境磁场抖动，将磁场白噪声从几十pT/Hz^1/2，压制在10pT/Hz^1/2；

步骤2，测量轴方向磁场补偿，在原子磁力仪外围设置第三组补偿线圈，调节第三组补偿线圈的电流，以补偿原子磁力仪测量轴方向上的剩余磁场，并进一步抑制所述测量轴方向上的磁场噪声；

步骤3，通过原子磁力仪中各通道的磁场信号与测量轴方向上磁力仪的磁场信号做梯度，最终在无磁屏蔽环境下实现100fT/Hz^1/2的灵敏度。

本发明的第二个方面提供一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量系统，所述测量系统包括磁场补偿系统和设置于无磁移动床上用于测量心磁信号的原子磁力仪单元，其中原子磁力仪单元和无磁移动床均位于磁场补偿系统内；

所述磁场补偿系统包括地磁场环境监测单元、地磁场环境补偿单元、测量轴方向磁场监测单元和测量轴方向磁场补偿单元；地磁场环境监测单元、测量轴方向磁场监测单元和原子磁力仪单元都位于地磁场环境补偿单元的中心区域内，测量轴方向磁场监测单元和原子磁力仪单元还位于测量轴方向磁场补偿单元的补偿线圈内；地磁场环境监测单元设置在靠近原子磁力仪单元附近的位置，实时监测三方向地磁场分量；地磁场环境补偿单元补偿三方向地磁场，抑制磁场噪声；测量轴方向磁场监测单元设置在原子磁力仪单元的上方，实时监测原子磁力仪单元测量轴方向上的磁场；测量轴方向磁场补偿单元补偿所述测量轴方向上的剩余磁场，并进一步抑制测量轴方向上的磁场噪声；

所述地磁场环境监测单元和测量轴方向磁场监测单元分别与反馈调节单元电连接，将其监测到的磁场信号发送至反馈调节单元；反馈调节单元控制连接可调稳恒电流源单元，可调稳恒电流源单元分别与地磁场环境补偿单元和测量轴方向磁场补偿单元电连接，反馈调节单元根据收到的监测信号向可调稳恒电流源单元发出控制信号，可调稳恒电流源单元改变输出电流的大小，实时稳定环境磁场；

原子磁力仪单元和测量轴方向磁场监测单元分别与信号收集单元电连接；信号收集单元包括数据采集单元和上位机，数据采集单元与上位机电连接，采集原子磁力仪单元中各通道的磁场信号和磁场监测单元测量轴方向的磁场信号，并传输至上位机做梯度，从而实现原子磁力仪单元100fT/Hz^1/2的灵敏度，经上位机处理后得到人体心磁图。

进一步，所述原子磁力仪单元包括一个或多个原子磁力仪探头，多个探头采用阵列式排布。

进一步，所述原子磁力仪单元包括4个原子磁力仪探头，4个原子磁力仪探头采用2×2阵列式排布。

进一步，所述无磁移动床采用无磁材料制成，能在XYZ方向上进行移动，包括底座、移动平台和床板。

进一步，所述地磁场环境监测单元为三轴磁通门磁力仪。

进一步，所述测量轴方向磁场监测单元为原子磁力仪。

进一步，所述地磁场环境补偿单元包括两个三维亥姆霍兹线圈结构，其中一个三维亥姆霍兹线圈结构补偿三方向地磁场，另一个三维亥姆霍兹线圈结构抑制磁场噪声；所述的三维亥姆霍兹线圈结构由三对两两正交的亥姆霍兹线圈组成；所述测量轴方向磁场补偿单元为一个单轴亥姆霍兹线圈结构，该单轴亥姆霍兹线圈结构补偿测量轴方向上的剩余磁场，并进一步抑制测量轴方向上的磁场噪声。

进一步，所述反馈调节单元为PID控制器。

本发明的有益效果是：本发明造价低廉，运行成本低，易于实现原子磁力仪在无磁屏蔽环境下高信噪比的心磁测量；能够在无封闭环境下完成人体心脏磁场探测，更利于具有幽闭恐惧症等心脏疾病患者的预检、筛查等工作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2a是原子磁力仪单元和地磁场环境监测单元的安装示意图。

图2b是原子磁力仪单元、地磁场环境监测单元及测量轴方向磁场监测单元的安装示意图。

图3是原子磁力仪单元阵列及测量示意图。

附图标记说明：1、地磁场环境监测单元；2、测量轴方向磁场监测单元；3、地磁场环境补偿单元；4、测量轴方向磁场补偿单元；5、原子磁力仪单元；6、反馈调节单元；7、可调稳恒电流源单元；8、无磁移动床；9、信号收集单元；10、待测者。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

针对目前基于原子磁力仪的心磁测量仪要求在磁屏环境下工作，但磁屏蔽室封闭的空间环境不利于在实际临床应用中采集被测试者数据，且磁屏蔽室造价较高，不利于深度推广应用于临床诊治的问题。参照附图，本发明实施例提供了一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量方法和系统，采用原子磁力仪单元5作为测量心磁信号的测量探头，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1，抑制地磁场干扰，将原子磁力仪置于两组补偿线圈的中心区域，调节两组补偿线圈的电流，控制第一组补偿线圈产生X/Y/Z三维与地磁场三分量方向相反的磁场，实现测量区域DC地磁场的三方向均抑制在零场附近±10nT以内；控制第二组补偿线圈抑制环境磁场的抖动，将磁场白噪声从几十pT/Hz^1/2，压制在10pT/Hz^1/2；

具体的，为实现抑制地磁场干扰，所述测量系统的组成部分包括磁场补偿系统，磁场补偿系统包括地磁场环境监测单元1和地磁场环境补偿单元3；

其中，地磁场环境补偿单元3包括两个三维亥姆霍兹线圈结构，一个三维亥姆霍兹线圈结构补偿三方向地磁场，另一个三维亥姆霍兹线圈结构抑制磁场噪声，三维亥姆霍兹线圈结构由三对两两正交的亥姆霍兹线圈组成；

地磁场环境监测单元1选用稳定商用磁场检测仪器，本实施例中采用Bartington公司生产的三轴磁通门磁力仪mag03，其性能满足：三轴测量，频率响应优于1000Hz，测量范围±100μT，-3dB带宽大于3000Hz，白噪声水平约为10pT/Hz^1/2。

原子磁力仪单元5采用能满足心磁测量要求的原子磁力仪即可。例如，图3是本发明实施例提供的原子磁力仪单元阵列及测量示意图，原子磁力仪单元5采用的原子磁力仪通过人为制作实现小型化，具体是指将桌面实验成功的原子磁力仪集成为一个体积很小的探头。该原子磁力仪包括光路部分和电路部分，稳定工作时能够达到空间分辨率小于2cm，灵敏度优于100fT/Hz^1/2，频响带宽不小于100Hz。为了更细致的研究心脏磁场变化，国内外通用的方法是多通道阵列测量心脏附近的磁场。原子磁力仪单元5可依据测量需求，选择制作为单通道或者多通道阵列的形式。其中阵列设计考虑实际集成化探头尺寸，间隔4cm安置一个原子磁力仪探头，由此延展为一个2×2的4通道原子磁力仪阵列。

无磁移动床8采用无磁材料制成，能在XYZ方向上进行移动，包括底座、移动平台和床板，通过调节水平及竖直方向位置，实现将被测试者10心尖搏动区紧贴在原子磁力仪单元5的中心。通过精确调节原子磁力仪单元5与待测者10心尖搏动区的水平位置即可实现阵列扩展，研究心磁常用的阵列测量区域为胸部正上方20cm×20cm方形区，每间隔4cm检测一个点，如此移动原子磁力仪单元5实现36通道心磁信号测量。参见图3，其调节过程为，一个2×2的测量阵列可通过精确调整原子磁力仪单元5的水平位置，以2×2的测量阵列中一个探头的位置为基准，东西方向移动8cm测量一次，移动两次后，改变南北方向位置，同样间距8cm移动一次，重复上述东西方向移动，如此重复移动9次即可得到一个6×6的心脏上方磁场检测结果。

地磁场环境监测单元1、无磁移动床8和原子磁力仪单元5都位于地磁场环境补偿单元3的中心区域内，地磁场环境监测单元1设置在原子磁力仪单元5右侧5cm处，磁场环境监测单元1与反馈调节单元6电连接，反馈调节单元6为PID控制器，反馈调节单元6控制连接可调稳恒电流源单元7，可调稳恒电流源单元7与地磁场环境补偿单元3电连接；

地磁场环境补偿单元3中的一组三维亥姆霍兹线圈，根据地磁场环境监测单元1采集到的地磁场信号，生成与地磁场方向相反的磁场，将地磁场压制在零场附近±10nT以内。地磁场环境监测单元1实时采集到压制后的地磁场信号，通过BNC接口传输给反馈调节单元6的PID控制器，设置PID控制器的目标值及PID控制器各参数，调节PID控制器输出的电压，控制可调恒流电流源单元7给地磁场环境补偿单元3另一组三维亥姆霍兹线圈的电流；地磁场环境补偿单元3通过磁场反馈调节单元6中的PID控制器和可调稳恒电流源单元7共同控制自动实时补偿三方向地磁场，抑制磁场噪声。

步骤2，测量轴方向磁场补偿，在原子磁力仪外围设置第三组补偿线圈，调节第三组补偿线圈的电流，以补偿原子磁力仪测量轴方向上的剩余磁场，并进一步抑制所述测量轴方向上的磁场噪声；

具体的，为实现测量轴方向磁场补偿，所述测量系统中的磁场补偿系统还包括测量轴方向磁场监测单元2和测量轴方向磁场补偿单元4，其中，测量轴方向磁场补偿单元4为一个单轴亥姆霍兹线圈结构，该单轴亥姆霍兹线圈结构补偿测量轴方向上的剩余磁场，并进一步抑制测量轴方向上的磁场噪声；测量轴方向磁场监测单元2为原子磁力仪。测量轴方向磁场监测单元2位于地磁场环境补偿单元3的中心区域内，测量轴方向磁场监测单元2和原子磁力仪单元5还位于测量轴方向磁场补偿单元4的补偿线圈内；测量轴方向磁场监测单元2设置在原子磁力仪单元5上方7cm处，测量轴方向磁场监测单元2与反馈调节单元6电连接，反馈调节单元6为PID控制器，测量轴方向磁场监测单元2将其监测到的磁场信号发送至反馈调节单元6，实时监测原子磁力仪单元5测量轴方向上的磁场；反馈调节单元6控制连接可调稳恒电流源单元7，可调稳恒电流源单元7与测量轴方向磁场补偿单元4电连接，反馈调节单元6根据收到的监测信号向可调稳恒电流源单元7发出控制信号，可调稳恒电流源单元7改变输出电流的大小，测量轴方向磁场补偿单元4通过磁场反馈调节单元6中的PID控制器和可调稳恒电流源单元7共同控制实时补偿原子磁力仪单元5测量轴方向上的剩余磁场，并进一步抑制测量轴方向上的磁场噪声；

步骤3，通过原子磁力仪中各通道的磁场信号和测量轴方向上的磁场信号做梯度，最终在无磁屏蔽室环境下实现100fT/Hz^1/2的灵敏度。

具体的，为实现无磁屏蔽室环境下100fT/Hz^1/2的灵敏度，原子磁力仪单元5和测量轴方向磁场监测单元2分别与信号收集单元9电连接；信号收集单元9包括数据采集单元和上位机，数据采集单元与上位机电连接，采集原子磁力仪单元5中各通道的磁场信号和磁场监测单元2在测量轴方向上的磁场信号，并传输至上位机做梯度，从而实现原子磁力仪单元100fT/Hz^1/2的灵敏度，经上位机处理后得到人体心磁图。

本发明提供的心磁测量方法和系统，通过三组补偿线圈分别实现地磁场三方向均抑制在零场附近、压制地环境磁场噪声、进一步补偿测量轴方向磁场并压制磁场噪声。测量时通过原子磁力仪单元5中各通道信号与测量轴方向磁场监测单元2的原子磁力仪信号做梯度，实现100fT/Hz^1/2的灵敏度。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量方法，用无屏蔽的原子磁力仪作为测量心磁信号的测量探头，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，抑制地磁场干扰，将原子磁力仪置于两组补偿线圈的中心区域，调节两组补偿线圈的电流，控制第一组补偿线圈产生X/Y/Z三维与地磁场三分量方向相反的磁场，实现测量区域DC地磁场的三方向均抑制在零场附近±10nT以内；控制第二组补偿线圈抑制环境磁场抖动，将磁场白噪声从几十pT/Hz^1/2，压制在10pT/Hz^1/2；

步骤2，测量轴方向磁场补偿，在原子磁力仪外围设置第三组补偿线圈，调节第三组补偿线圈的电流，以补偿原子磁力仪测量轴方向上的剩余磁场，并进一步抑制所述测量轴方向上的磁场噪声；

步骤3，通过原子磁力仪中各通道的磁场信号与测量轴方向上磁力仪的磁场信号做梯度，最终在无磁屏蔽环境下实现100fT/Hz^1/2的灵敏度；

步骤4，通过原子磁力仪测量被测者心脏的磁场信号，原子磁力仪为2×2的4通道原子磁力仪阵列，所述阵列由4个原子磁力仪探头组成，相邻的两个原子磁力仪探头之间的距离为4cm；所述阵列的测量区域为被测者胸部正上方20cm×20cm方形区，以所述阵列中一个原子磁力仪探头的位置为基准，东西方向移动8cm测量一次，移动两次后，改变南北方向位置，同样间距8cm移动一次，重复上述东西方向移动，如此重复移动9次得到一个6×6的心脏上方磁场检测结果。

2.实施权利要求1所述的一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量方法的测量系统，其特征在于：所述测量系统包括磁场补偿系统和设置于无磁移动床(8)上用于测量心磁信号的原子磁力仪单元(5)，其中原子磁力仪单元(5)和无磁移动床(8)均位于磁场补偿系统内；

所述磁场补偿系统包括地磁场环境监测单元(1)、地磁场环境补偿单元(3)、测量轴方向磁场监测单元(2)和测量轴方向磁场补偿单元(4)；地磁场环境监测单元(1)、测量轴方向磁场监测单元(2)和原子磁力仪单元(5)都位于地磁场环境补偿单元(3)的中心区域内，测量轴方向磁场监测单元(2)和原子磁力仪单元(5)还位于测量轴方向磁场补偿单元(4)的补偿线圈内；地磁场环境监测单元(1)设置在靠近原子磁力仪单元(5)附近的位置，实时监测三方向地磁场分量；地磁场环境补偿单元(3)补偿三方向地磁场，抑制磁场噪声；测量轴方向磁场监测单元(2)设置在原子磁力仪单元(5)的上方，实时监测原子磁力仪单元(5)测量轴方向上的磁场；测量轴方向磁场补偿单元(4)补偿所述测量轴方向上的剩余磁场，并进一步抑制测量轴方向上的磁场噪声；

所述地磁场环境监测单元(1)和测量轴方向磁场监测单元(2)分别与反馈调节单元(6)电连接，将其监测到的磁场信号发送至反馈调节单元(6)；反馈调节单元(6)控制连接可调稳恒电流源单元(7)，可调稳恒电流源单元(7)分别与地磁场环境补偿单元(3)和测量轴方向磁场补偿单元(4)电连接，反馈调节单元(6)根据收到的监测信号向可调稳恒电流源单元(7)发出控制信号，可调稳恒电流源单元(7)改变输出电流的大小，实时稳定环境磁场；

原子磁力仪单元(5)和测量轴方向磁场监测单元(2)分别与信号收集单元(9)电连接；信号收集单元(9)包括数据采集单元和上位机，数据采集单元与上位机电连接，采集原子磁力仪单元(5)中各通道的磁场信号和磁场监测单元(2)测量轴方向的磁场信号，并传输至上位机做梯度，从而实现原子磁力仪单元(5)100fT/Hz^1/2的灵敏度，经上位机处理后得到人体心磁图。

3.如权利要求2所述的一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量系统，其特征在于：所述原子磁力仪单元(5)包括一个或多个原子磁力仪探头，多个探头采用阵列式排布。

4.如权利要求3所述的一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量系统，其特征在于：所述原子磁力仪单元(5)包括4个原子磁力仪探头，4个原子磁力仪探头采用2×2阵列式排布。

5.如权利要求2所述的一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量系统，其特征在于：所述无磁移动床(8)采用无磁材料制成，能在XYZ方向上进行移动，包括底座、移动平台和床板。

6.如权利要求2所述的一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量系统，其特征在于：所述地磁场环境监测单元(1)为三轴磁通门磁力仪。

7.如权利要求2所述的一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量系统，其特征在于：所述测量轴方向磁场监测单元(2)为原子磁力仪。

8.如权利要求2所述的一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量系统，其特征在于：所述地磁场环境补偿单元(3)包括两个三维亥姆霍兹线圈结构，其中一个三维亥姆霍兹线圈结构补偿三方向地磁场，另一个三维亥姆霍兹线圈结构抑制磁场噪声；所述的三维亥姆霍兹线圈结构由三对两两正交的亥姆霍兹线圈组成；所述测量轴方向磁场补偿单元(4)为一个单轴亥姆霍兹线圈结构，该单轴亥姆霍兹线圈结构补偿测量轴方向上的剩余磁场，并进一步抑制测量轴方向上的磁场噪声。

9.如权利要求2所述的一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量系统，其特征在于：所述反馈调节单元(6)为PID控制器。

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